0 引言
螺纹连接在船舶系统管路及设备安装中，被广泛应
用，避免螺纹连接在船舶系统及设备工作过程中发生松动
失效是船舶系统设计所关心的核心问题之一。因此，设计
和使用具有较高安全可靠性的螺纹连接防松措施具有重要
的现实意义。本文针对船舶管路系统中螺纹松动问题，
在分析螺纹连接松动机理、螺纹松动的影响因素的基础
上，通过横向振动实验开展了基于齿形垫圈的防松弛技术
实验研究，为船舶系统紧固件的设计选用提供技术支撑。
1 螺纹连接松动机理
螺纹连接松动按阶段可分为非旋转式松动和旋转式
松动。相关学者通过研究发现螺纹连接发生松动是积累
的过程，一般可分为 2 个阶段：第一阶段螺纹连接间不
发生明显的相对旋转，此时螺纹连接松动主要是由于材
料局部塑性变形导致的预紧力减小；第二阶段螺纹连接
在外部载荷下发生明显的相对运动导致松动 [1]。
针对外载荷作用下的螺纹连接失效机理，早期的螺
纹连接松动机理研究主要集中在轴向载荷作用下对松动
的影响，Goodier 和 Sweeney[2] 等通过实验开展了轴向动
态载荷下的螺纹连接松动机理研究，指出轴向载荷作用
下螺纹发生松动的原因是螺纹啮合面发生相对位移，通
过 25000 次轴向负荷循环，螺纹的最大松动角只有 6°，这在工程实际中并不算很大的松动角 [3]。
相对于横向载荷，螺纹连接在轴向载荷作用下不易
发生完全松动 [4]。1969 年，H. Junker 发明了 Junker 振动
实验机，对螺纹连接开展了横向载荷下的实验研究 [5]，
在这之后，针对螺纹连接的松动机理研究多集中在由横
向振动载荷作用下引起的螺纹连接松动 [6-7]，研究发现，
当螺栓受横向载荷作用时，螺纹连接面及螺杆头接触面
易发生相对滑移，当滑移积累到一定程度时导致螺纹发
生回转松动。通常，螺纹连接在其工作中会受到复杂的
载荷作用，包括横向动载荷、轴向动载荷、弯曲载荷、
切向载荷或者是共同作用的结果，但一般认为，螺纹连
接松动的主要原因是横向载荷引起的。
2 防松措施
螺纹连接防松的根本思路在于保证螺纹连接在工作
过程中预紧力的衰减在可控的范围，螺纹连接防松性能
的影响因素有初始预紧力、旋合长度、结构尺寸、强度
等级、摩擦系数、外部载荷等 [8]。鉴于螺纹连接松动通
常分为非旋转松动和旋转松动阶段，抑制第一阶段松动
的主要方法是选用高强度、高韧性的材料，采用合适的
初始预紧力拧紧，避免螺纹连接产生初始局部塑性变形。在此基础上，通过改变螺纹连接的结构形式，增加螺纹
副之间及支撑面的摩擦力等有效手段，防止螺纹连接第
二阶段发生旋转松动。
螺纹连接防松方式根据防松原理的不同主要分为：机械防松、破坏螺纹副防松和摩擦防松。1）机械防松的
原理是通过机械锁紧元件防止相互配合的螺纹连接在工作
中发生相对滑动，采用该原理的防松措施有双耳止动垫圈、
串联钢丝、开口销、开槽六角螺母等，机械防松可有效提
高螺纹连接的防松性能，但该方式需要对标准的紧固件进
行结构上的修改，且装配、拆卸有一定的困难，重复使用
性较差，在空间有限的船舶系统及管路中使用较少。2）
破坏螺纹副防松的原理是通过机械加工等方式破坏螺纹副
之间的配合关系，使螺纹副之间失去相互滑移的条件，采
用该原理的防松措施有铆合、涂胶以及冲点，该防松方式
具有一定的防松效果，但由于增加了安装工序，人为因素
影响较大，拆卸后不能重新安装使用，该防松方式在船舶
中使用较少。3）摩擦防松的工作原理是通过增加螺纹副
之间及螺栓与支撑面之间的摩擦力，进而产生有效的摩擦
力矩阻止螺纹连接副发生相对运动，采用该原理的防松措
施有对顶双螺母、弹簧垫圈、平垫圈、碟簧垫圈等，摩擦
防松方式目前在船舶系统中被广泛应用。
当前，有一种齿形垫圈的防松结构越来越受到国内
工程界的重视，其结构及连接示意图如图 1 所示。齿形
垫圈由两片相同的外侧带方向性密集小齿面，内侧为较
大斜齿面的垫圈组成。其防松原理为：小齿面的方向与
螺纹卸载的方向相反，螺纹紧固时，小齿面嵌入被连接
件表面和螺栓头部，当螺纹连接件受到外界载荷作用时，由于大齿面的角度 α 比螺纹升角 β 大，螺纹沿轴向方向
上可产生的位移小于 2 片齿形垫圈之间产生的位移，松
动位移被齿形垫圈的位移弥补，此时，螺栓被拉长，产
生更大的预紧力，防止螺栓和螺母的旋转松动。齿形垫
圈结构简单，不需要特殊的安装工具，容易拆卸和维护，
空间需求小，具有较大的使用潜力。
另外，碟簧垫圈及 Hardlock 螺母在其他行业反馈防
松效果良好。碟簧垫圈为锥形环状碟片，盘片厚度恒定
不变，载荷均匀分布在上表面内边缘和下表面外边缘，
碟簧垫圈在压紧后产生均匀的弹性恢复力从而达到防止
螺纹松动的目的，可以单个使用或采用叠合组合、对合组合或混合组合的形式多个一起使用。Hardlock 螺母由 2
个偏心加工的螺母组成，上螺母为凹螺母，下螺母为凸
螺母，当螺纹紧固时，在螺母偏心的情况下，上螺母对
下螺母进行压紧，形成在缝隙间打入楔子的功效，从而
防止螺母旋转松动。
为验证各防松结构的防松性能，挖掘其在船舶系统
上的应用能力，本文采用紧固件横向振动实验方法，针
对某船舶系统目前采用的弹簧垫圈配合平垫圈的防松形
式以及齿形垫圈、Hardlock 螺母、碟簧垫圈等防松结构
进行实验研究，通过横向载荷作用下螺栓预紧力的衰减
对比不同防松结构适配不同螺栓规格工况下对螺纹连接
防松性能的影响，并针对管路法兰连接的特点，引入预
紧力衰减离散度与极差指标评价防松结构的性能稳定性，
分析松弛特性及防松能力。
